激光技术在林木和园艺植物育种及基因工程中的应用
来源：物理 作者：马凤翔 陈晓阳 日期：2007-08-01
摘 要 激光具有极高的功率密度，因而可被应用于种子催芽和诱变育种，可作为林木和园艺植物育种和基因改良的新技术手段。文章从四个方面进行了探讨：(1)激光辐照的生物效应机理；(2)激光在林木和园艺植物种子催芽中的应用；(3)激光在林木和园艺植物诱变育种中的应用；(4)激光在林木和园艺植物基因工程中的应用。
关键词 激光，林木，园艺植物，催芽，诱变育种，基因工程
Laser applications in seed germination, mutation breeding and gene engineering for forestry and horticulture
MA Feng-Xiang1,CHEN Xiao-Yang2
(1 College of Science, Beijing Forestry University , Beijing100083, China)
(2 College of Biological Science and Biotechnology, Beijing Forestry University ,Beijing100083, China)
Abstract Laser radiation has a very high power density so it has been used in accelerating seed germination and mutation breeding, and can be applied in new technical methods to improve the genes of trees and plants. We discuss the mechanism of the biological effects of laser radiation, then review the applications of lasers in accelerating seed germination, mutation breeding and gene engineering of forest trees and horticultural plants.
Keywords lase，forest tree,horticulture plants,accelerating germination，mutation breeding，gene engineering
1 引言
自第一台激光器问世以来，激光便进入了生物学研究领域，由此产生了一门新兴的交叉学科——激光生物学。发展到今天，激光在生物学中的应用已广泛和深入，内容涉及医学、农林科学、动植物以及微生物等各个方面。
激光育种是激光生物学研究的一个分支，它是利用激光辐照生物体诱导其发生遗传性变异，再根据育种目标进行选择和培育新品种的诱变育种技术。通过广大育种工作者的不懈努力，我国激光辐照育种已取得了令人可喜的进展。据1997年的不完全统计，我国通过激光诱变育成的植物新品种达43个，其中粮食作物28个、经济作物5个、蔬菜4个、水果林木4个。最近几年，激光诱变育种研究又有了新的进展，尤其是在基因工程方面发展迅速。然而在林木、园艺植物育种领域，激光的应用进展相对迟缓。为此，有必要对激光诱变技术在林木、园艺植物遗传育种中的应用作一探讨，为今后深入开展研究提供参考。
2 激光辐照生物效应的机理
激光是一种高亮度的定向能束，是由原子或分子受激发射而产生并被放大的一种相干光辐射。激光具有单色性、相干性、方向性和高亮度的特性即激光的四性。激光四性的本质是激光具有很高的光子简并度，也就是说，激光可以在很大的相干体积内具有很高的相干光强。充分利用激光所具有的这些特性，可获得极高的功率密度。这正是激光被应用于诱变育种研究的物理学基础。
目前应用于激光辐照诱变育种的激光器种类有多种，波长从远红外至紫外几乎所有频率。根据已有的研究试验统计，常使用的激光器有CO2和N2分子激光器、He-Ne激光器、Ar+和Kr+离子激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、钇铝石榴石（YAG）固体激光器等，其中又以C02激光器和He-Ne激光器最为常用［1］。
激光辐照的生物效应机理是多类型的，具体的生物效应由特定生物组织的性质以及激光参数决定。生物组织的性质主要指光学特性（如反射、吸收及散射系数）和热力学性质（如热传导和热容量）。激光参数则主要有波长、辐照时间、能量剂量、辐照面积、能量密度和功率密度等［2］。目前，学术上比较一致的观点认为，激光辐照生物效应的机理大致有五种， 即激光加热作用、光化学作用、机械压力作用、激光电磁场作用以及激光生物刺激作用［3］。激光与生物组织相互作用的关系如图1所示［2］。
图1 激光与生物组织相互作用关系图，圆圈仅大致给出了有关的激光参数（光致破裂被认为是光学击穿引起的多重机械作用，其基本原理是冲击波的产生以及空化的形成。等离子体诱变蚀除在空间上只限于焦点处，形成组织的击穿区域，导致物质的电离）
激光加热作用是生物组织吸收了激光束的能量，再转化为热量,使局部温度升高所致，其外在表现为生物组织的凝结、汽化、炭化和熔融等不同的效应，如图2所示［2］。在激光加热作用中，温度是一个决定性参数。当温度为60℃、持续时间不少于6s时,可以导致组织细胞发生不可逆损伤。炭化、汽化和凝结作用是不可逆过程，它们引起了不可恢复的损伤。DNA的耐热能力比蛋白质强。实验表明，若在1小时内把DNA维持在80℃的高温，它们的活性不会受多大的影响。因此，在激光辐照育种研究中，确定激光的剂量和辐照时间达到导致DNA不可逆变性的阈值温度至关重要。
激光光化作用是生物组织在光的作用下产生的生化反应。生物组织吸收激光后的光化反应明显强于普通光。激光辐照和生物分子间的相互作用，强烈地依赖于激光的波长和时间特性。激光辐照对生物大分子的作用，一般靠振动激发而不是靠电子吸收来实现。DNA是重复排列的生物大分子，激光束能在许多位置引起破坏，能选择性地破坏DNA结构中某些化学键或天然构象［3］。
光致压力作用是激光照射生物组织直接或间接压力作用的结果。压力作用包括由激光加热引起组织气化而导致的气流反冲压、内部气化压、热膨胀超声压、等离子体压力以及因激光电场引起的电致伸缩压等。直接由光子碰撞引起的光压称为一次压力，其余由激光间接引起的压力称为二次压力。激光作用于生物组织的压力主要是二次压力。当激光束能量很高时，冲击波和其他多重压力作用就会变得很强烈，组织或细胞被光致压力撕裂，发生电学击穿，引起光致破裂，为细胞间遗传物质交换提供通道。
激光光致电磁场作用机理主要有四种：（1）用高电场强度的激光照射生物组织，可使生物组织产生二次紫外光谐波，蛋白质和核酸因强烈吸收谐波紫外光而受损；（2）激光与生物分子相互作用时，部分光子因发生碰撞而发生受激拉曼散射和受激布里渊散射，这些散射可导致细胞损伤和破裂；（3）激光强电场可使生物分子的外层电子突破静电势垒而逸出，形成自由电子和离子，即发生电击穿。电击穿形成致密的等离子体，产生的等离子体使生物组织发生剥裂效应，如产生自由基等；（4）在激光强电场作用下，生物分子可能发生电离，原来无极性的生物分子可能发生极化，原来已极化的生物分子沿电场方向旋转，从而引起微观结构的变化，尤其是膜结构发生了改变［2,3］。